高师地球概论天球坐标教学浅析

赵捷　张庆辉　程莉

摘要：天球坐标知识是地球概论课程中的基础知识，是了解宇宙环境和地球运动及地理意义及时间计算的最基本知识内容，可以说，天球坐标知识的学习是地球概论教学的一个突破口，它为后续的知识学习起到了良好的奠基作用。同时也可以很好地解释其他关于天文知识的内容。比如地球上的“正午太阳高度计算、昼夜长短变化规律”需要用到时角和赤纬，“地球运动”规律及意义需要用到黄道、地平高度，视太阳日长短变化需要用到时角、赤经及黄经，有关时间计算需要用到时角坐标系，地理信息系统专业中的全球定位内容需要用到天球坐标知识内容等。

关键词：天球坐标；教学；坐标系

中图分类号：G633.91

一、天球坐标知识内容概述

1.球面坐标系的总体特征

天球坐标系是球面坐标系的一种，它的建立需要有横轴、纵轴、原点、横坐标和纵坐标。球面座标系都有一个基本的大圆，称为基圈；通过基圈的两级，垂直于基圈的所有大圆称为辅圈；通过原点的辅圈，叫做始圈；终圈与基圈的交点，叫做介点；以基圈、始圈和终圈为球面三角形建立了球面坐标系的-般模式。球面上任一点相对于基圈的方向与角距离，用纬度表示，是点的纵坐标；球面上任一点所在的辅圈平面相对于始圈平面的方向和角距离，用经度表示，是点的横坐标。三个圈指基圈、始圈和终圈，三个点指极点、原点和介点。

2.球面坐标系的类型

地平坐标系主要是天体的高度和方位，它们因时因地而不同；第一赤道坐标系是赤纬和时角，赤纬是恒定不变的，但是天体的时角却因时刻和经度而不同；第二赤道坐标系是赤纬和赤经，主要用于表示天体在天球上相对不变的位置，用于编制星表；黄道坐标系是黄纬和黄经，是用来表示日月行星的位置及其运动。

3.各种坐标系的区别和联系

（1）区别：地平、赤道、黄道坐标系有不同的基圈；第一赤道坐标系和第二赤道坐标系有不同的原点和始圈；天球坐标系中的纬度有高度、赤纬和黄纬；天球坐标系中的经度有方位、时角、赤经和黄经。

（2）联系：地平坐标系和第一赤道坐标系中有相同的始圈。二者的联系即仰极高度=天顶赤纬=当地纬度；第一、第二赤道坐标系有相同的基圈，因而有相同的纬度（赤纬）；二者的联系与当时的恒星时有关，即当时恒星时=天体赤经+天体当时时角；第二赤道坐标系和黄道坐标有共同的原点。

二、天球坐标教学中常出现的问题

1.球面要素种类繁多，容易混淆

三个基本大圆：地平圈，天赤道，黄道；大圆的极点：天顶和天底；天北极和天南极；黄北极和黄南极。大圆的交点：东点和西点；春分点和秋分点。 这些基本的圆、点构成了球面坐标的要素，而且同一圆圈在不同的坐标系中称呼不同，因此容易造成知识之间的混淆。

2.建立空间概念、培养空间思维能力较为困难

由于天球坐标是球面坐标，因此需要学生建立良好的空间概念，处于不同的地点，能够马上建立起对应地点的天球坐标图。天球上各点与地球上相应各点的关系，包括空间位置关系和地面位置关系。四种坐标知识必须掌握牢固，才能做到空间思维的相互转换。

3.教学内容抽象，难以理解

天球坐标系的建立就是为了方便、准确的描述日月星辰等天体在天球上的位置和运动，同时也可以定义地面各点的方向和位置。由于天球坐标系需要在头脑中建立良好的空间位置和运动图形，因此要将各种坐标系融会贯通，教学内容非常抽象，是地球概论教学中的难点。

三、天球坐标教学建议

1.建立球面坐标系的统一模式，联系讲解

教学中，可以运用天球仪，地球上的任一点的地平圈根据定义指出，地球上的赤道面无限延伸与天球相割而成的大圆就是天赤道；地球上的子午面无限延伸与天球相割而成的大圆就是天球上的子午圈。

2.各种天球坐标对比分析，及时绘图练习

各种天球坐标之间既有联系，也有区别。教学过程中，讲解每个坐标系的时候，都会从球面坐标系开始，基本的点、线、面及对应的纬度和经度。讲解时，根据地平圈的定义首先绘制点M的地平圈，然后找出赤道，绘出天赤道及黄道，四种坐标既可以融合在一起，也可以各自独立，通过反复的绘图练习，可以起到熟练掌握坐标知识的作用。

3.加强直观教学，利用实验动态演示，培养学生空间思维能力

天球坐标这部分内容具有抽象、立体的特点，在教学中应以直观教学为主。首先在课堂上利用教学课件动态演示，使学生对天球坐标有了初步的空间认识；然后在黑板上逐一绘制讲解，指出各种天球坐标系的要点及其联系；最后再分小组利用天球仪和天球坐标模型作实物演示，经过反复强化，加深理解。

4.与实践教学相结合，提高学生学习的积极性

天球坐标的课堂教学还要结合实际观测进行，如实地讲解当地纬度如何测定，某一天体当时的高度与方位，实地观测一下当地的地平圈、天顶等，寻找天北极，再结合識星活动，让学生在天空中寻找四季星空的典型星座，进一步加强对天球坐标的认识，可以使学生牢固地掌握天球坐标知识，同时也可以极大地激发学生学习的积极性，为后续知识的讲解铺平道路。

参考文献

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基金项目：包头师范学院2012年《地球概论》优秀课程；

包头师范学院2013年《自然地理学》教学团队

作者简介：赵 捷（1970-）女，内蒙古集宁人，硕士，副教授，研究方向：土地利用，课程与教学论endprint